600 MW汽輪機高壓調節閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂原因分析及處理

陳順青,于長江,毛志忠,唐海峰,李文彬

(1.國能河北滄東發電有限責任公司,河北 滄州 061003;2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

1 概述

某火電廠600 MW汽輪發電機組是C600-16.7/0.75/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、可調整抽汽凝汽式汽輪機。該機組共有4個高壓調節閥,在每個高壓調節閥閥體上焊接一塊金屬背板,背板上開有螺紋孔,通過螺栓將抱箍固定在背板上,繼而將LVDT固定在背板上,LVDT反饋桿與帶有萬向節的支架連接,支架又通過連接桿與高壓調節閥閥門門桿相連,如圖1所示。當閥門動作時,LVDT反饋桿隨閥門門桿上下移動,從而輸出與閥位變動量成一定線性關系的直流電壓信號,該機組LVDT反饋桿移動方向與閥門門桿移動方向一致。

圖1 高壓調節閥反饋裝置LVDT安裝形式

機組在運行過程中多次出現汽輪機高壓調節閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂的問題,導致機組負荷擾動以及1號、2號軸承轉子振動值突增,LVDT連接桿斷裂時機組具體運行情況如圖2所示。

圖2 LVDT連接桿斷裂時機組運行情況

2 故障原因分析

線性可變差動傳感器(Linear Variable Diff erential Transfor mer,LVDT)是汽輪機伺服系統中反饋調節閥開度的重要測量部件,對汽輪機的安全穩定運行具有重要作用[1],由反饋桿和鎧裝套筒組成[2]。

如果LVDT測量信號不精確,將直接導致汽輪機閥門波動,進而導致機組負荷波動,嚴重影響機組及電網的安全運行[3]。高壓調節閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂后處置不當可能導致機組非停[4]。從機組安全可靠運行的角度考慮,通過斷口宏觀、化學成分及金相等方面分析,探究LVDT連接桿斷裂的具體原因。

2.1 斷口宏觀分析

觀察LVDT連接桿斷口,發現斷裂紋位置位于第一螺紋根部(圖3),該位置應力集中較大,同時也是受力最大的位置。對斷口進行宏觀分析,由圖4連接桿斷裂形貌可知斷口疲勞裂紋源中心、貝紋線明顯可見,可以判定該斷口是由疲勞應力作用下形成的斷口,即斷裂的原因為疲勞斷裂,具體斷裂方向由圖4右側斷口的上部向下發展最后發生斷裂,說明疲勞應力是單向彎曲疲勞振動所致。

圖3 LVDT連接桿斷裂位置

圖4 LVDT連接桿斷裂形貌

2.2 化學成分分析

對斷裂連接桿進行化學成分分析,具體化學成分見表1,從化學分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》對25Cr2 Mo V材料的要求。

表1 LVDT連接桿化學成分質量分數分析結果

2.3 金相分析

對斷裂連接桿螺紋剖面進行金相組織分析,如圖5所示,連接桿金相組織為正常的回火索氏體組織,未見異常組織。斷裂連接桿的螺紋根部未見加工缺口,如圖6所示,屬于正常的螺紋根部加工形貌。

圖5 斷裂連接桿金相組織

2.4 綜合分析

通過宏觀分析可知斷裂位置位于受力最大的第1螺紋位置,斷口具有疲勞斷裂特征。金相分析可知材料組織正常,不存在熱處理等熱加工工藝缺陷。從化學分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》對25Cr2 Mo V材料的要求。

綜上分析,LVDT連接桿斷裂原因為,高壓調節閥及其反饋裝置在正常使用過程中存在較大振動,由于應力集中導致連接桿的第1螺紋位置產生疲勞開裂,在長時間的交變載荷作用下,裂紋逐漸向連接桿內部擴展直至最終撕裂。

3 處理措施及效果

由于機組運行期間高壓調節閥LVDT連接桿工作溫度在110℃左右(如果門桿噓汽嚴重,溫度還要高),而且存在頻繁的振動,無法開展常規的無損檢測。機組停運開展無損檢測時LVDT連接桿裂紋源很可能還未出現,因此很難提前預測連接桿的斷裂時機。此外,由于高壓調節閥的預留螺紋孔形式已經無法改變,從而無法采取改變螺紋牙型及加大連接桿直徑的措施。鑒于以上情況,主要從降低高壓調節閥振動和改善連接桿力學性能2個方面著手處理。

3.1 汽輪機閥門流量特性優化

由于設備檢修或長期運行等原因會造成DEH設定的閥門流量特性曲線偏離實際流量特性,此時就會出現諸如高壓調節汽門晃動,負荷振蕩。該火電廠通過對600 MW機組高壓調節閥閥門特性曲線綜合優化后,一定程度上消除了由于閥門配汽不合理造成氣流激振引發的某負荷點閥門門桿振動大的問題,優化后LVDT連接桿的振動幅度由965μm下降到26μm。

3.2 LVDT連接桿材料升級改進

從改善連接桿力學性能的角度出發,可以選擇綜合性能優良的高溫緊固螺栓鋼或者抗疲勞性能優異的彈簧鋼,經過查閱相關文獻資料可知,20Cr1 Mo1 VTi B鋼通過添加釩、鈦等強碳化物形成元素來獲得細小穩定的碳化物,并添加硼來強化晶界,能夠獲得良好的抗應力松馳性能[5],其作為一種新型珠光體高溫熱強鋼,具有良好的綜合性能,熱強性和松馳穩定性遠超25Cr2 Mo V鋼,同時具有較低的缺口敏感性、較小的熱脆性傾向和出色的持久塑性,是作為LVDT連接桿材料升級改進的優選材料,冷加工后的LVDT連接桿采用1 020～1 040℃油冷700～720℃回火6 h后空冷的熱處理工藝。

經過采取以上2項措施后,該火電廠600 MW汽輪機高壓調節閥反饋裝置LVDT連接桿已正常運行2年,未再出現斷裂現象,成功消除了存在的問題及隱患,提升了機組運行安全可靠性。

4 結束語

隨著電網調峰的頻次越來越高、幅度越來越大,大型火電機組負荷也隨之頻繁變化,汽輪機高壓調節閥也需要不斷進行調節,在此過程中高壓調節閥受到高溫熱應力及由汽流對閥碟沖擊造成的機械應力作用,不可避免的產生高頻振動,繼而引發生LVDT及其附件(連接桿、支架、萬向節)產生金屬疲勞斷裂或者磨損損壞。鑒于此種情況,為了保障機組運行的安全可靠性,需要火電廠檢修工作人員一方面加強機組運行期間LVDT及其附件的巡查頻次,及時發現設備隱患;另一方面,根據機組運行實際情況以及工作經驗確定合理的LVDT連接桿更換周期,避免其發生金屬疲勞斷裂。